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JP2017516081A - Ceramic carrier, sensor element having ceramic carrier, heating element and sensor module, and method for producing ceramic carrier - Google Patents

Ceramic carrier, sensor element having ceramic carrier, heating element and sensor module, and method for producing ceramic carrier Download PDF

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JP2017516081A JP2016559256A JP2016559256A JP2017516081A JP 2017516081 A JP2017516081 A JP 2017516081A JP 2016559256 A JP2016559256 A JP 2016559256A JP 2016559256 A JP2016559256 A JP 2016559256A JP 2017516081 A JP2017516081 A JP 2017516081A
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Abstract

本発明は、プラチナまたはプラチナ合金の薄膜構造体(10)が上に配置されたセラミック担体、特にAl2O3担体に関する。担体および/または薄膜構造体は、異なる熱膨張係数に起因する機械的応力を低減するようになっている。担体および/または薄膜構造体(10)は、以下の特徴を有する。(e)密着を低減するため、薄膜構造体(10)の領域において、担体の表面(11)が少なくとも部分的に平滑化され、かつ/または(f)担体の表面(11)が、中間層(12)を有し、その上に薄膜構造体(10)が配置されており、中間層(12)の熱膨張係数は、8×10−6/K〜16×10−6/K、特に8.5×10−6/K〜14×10−6/Kであり、かつ/または(g)薄膜構造体(10)は、少なくとも部分的に波状である少なくとも一つの導体路(13)を有しており、当該導体路は、担体の表面(11)に沿って延在しており、波状の導体路(13)の振幅は0.2×B〜2×B、特に0.4×B〜1×Bであり、かつ波状の導体路(13)の波長は3×B〜10×B、特に4×B〜7×Bであり、ここで「B」は、導体路(13)の幅であり、かつ/または(h)第1の被覆(14a)が、薄膜構造体(10)に直接付与されており、当該被覆は、酸化物ナノ粒子、特にAl2O3および/またはMgOのナノ粒子を含む。The present invention relates to a ceramic support, in particular an Al2O3 support, on which a platinum or platinum alloy thin film structure (10) is arranged. The carrier and / or thin film structure is adapted to reduce mechanical stress due to different coefficients of thermal expansion. The carrier and / or thin film structure (10) has the following characteristics. (E) In order to reduce adhesion, in the region of the thin film structure (10), the surface (11) of the carrier is at least partially smoothed and / or (f) the surface (11) of the carrier is intermediate layer (12), on which the thin film structure (10) is arranged, and the thermal expansion coefficient of the intermediate layer (12) is 8 × 10 −6 / K to 16 × 10 −6 / K, in particular 8.5 × 10 −6 / K to 14 × 10 −6 / K and / or (g) the thin film structure (10) has at least one conductor path (13) that is at least partially wavy. The conductor track extends along the surface (11) of the carrier, and the amplitude of the wavelike conductor track (13) is 0.2 × B to 2 × B, in particular 0.4 ×. B to 1 × B and the wavelength of the wavy conductor track (13) is 3 × B to 10 × B, in particular 4 × B to 7 × B, where “B” The width of the channel (13) and / or (h) a first coating (14a) is applied directly to the thin film structure (10), which coating is made of oxide nanoparticles, in particular Al 2 O 3 and / or Or MgO nanoparticles.

Description

本発明は、請求項1の前文の特徴を有するセラミック担体、特にAl担体に関する。 The invention relates to a ceramic support, in particular an Al 2 O 3 support, having the features of the preamble of claim 1.

このタイプの担体は、例えば特開昭59−065216号から知られている。当該担体は、プラチナからなる薄膜構造体で被覆され、流量測定のための流量センサとして使用される。   This type of carrier is known, for example, from JP 59-065216. The carrier is coated with a thin film structure made of platinum and used as a flow sensor for flow measurement.

同じ設計原理のセンサが、排気ガスセンサシステムにおける温度測定センサとして使用される。これらは、例えばフィルタの再生のために、排気ガスの温度を検知するため、ディーゼル煤粒子フィルタの上流に設置される。これに関し、プラチナ薄膜センサは、過酷な変動温度負荷にさらされる。このことは、自動車産業において必要とされる耐用年数を意図してセンサを設計する場合、考慮に入れる必要がある。同じことが、自動車産業において、エンジンオイル(そのトライボロジー特性は加熱に大きく依存する)の状態をモニタするためプラチナ薄膜センサを使用する場合にも当てはまる。エンジンオイルの状態を判定するため、熱負荷の合計は、プラチナ温度センサにより確認される重要な測定変数である。この点に関し、センサは、多くの温度変化サイクル、過酷な振動負荷、および測定媒体による腐食にさらされる。   Sensors of the same design principle are used as temperature measuring sensors in the exhaust gas sensor system. These are installed upstream of the diesel soot filter to detect the temperature of the exhaust gas, for example for regeneration of the filter. In this regard, platinum thin film sensors are exposed to severe fluctuating temperature loads. This needs to be taken into account when designing the sensor with the intended service life required in the automotive industry. The same is true in the automotive industry when using platinum thin film sensors to monitor the condition of engine oil (its tribological properties are highly dependent on heating). In order to determine the condition of engine oil, the total heat load is an important measurement variable identified by the platinum temperature sensor. In this regard, the sensor is subject to many temperature change cycles, severe vibration loads, and corrosion by the measurement medium.

プラチナセンサの電気抵抗は、温度に対して厳密に規定された態様で変化する。従って、測定誤差の回避は、電気抵抗を変化させる他の影響変数をできる限り抑制することにかかっている。厳しい変動温度負荷がある場合、この問題は、異なる材料が対にされると生じる。例えば、プラチナ薄膜構造体を有するセラミック担体の場合がそうである。これらの異なる材料は、異なる熱膨張係数を有する。このことはミスマッチとも呼ばれる。変動温度負荷がある場合、これらの材料の異なる熱的性質のため、プラチナ構造体の塑性変形が起こり、また、微細組織において転位の移動が起こる。その結果、材料の特性が変わる。これは、抵抗値のドリフト、すなわち、望ましくない力学的に引き起こされる抵抗値の変動につながる。プラチナ薄膜構造体における機械的応力が過酷な場合、後者は損傷や一時停止の可能性もある。   The electrical resistance of a platinum sensor changes in a strictly defined manner with respect to temperature. Therefore, avoiding measurement errors depends on suppressing as much as possible other influence variables that change the electric resistance. This problem arises when different materials are paired when there is a severe fluctuating temperature load. This is the case, for example, with ceramic supports having a platinum thin film structure. These different materials have different coefficients of thermal expansion. This is also called a mismatch. In the presence of variable temperature loads, the plastic structure of the platinum structure occurs due to the different thermal properties of these materials, and dislocation migration occurs in the microstructure. As a result, the material properties change. This leads to resistance drift, i.e. undesirable mechanically induced resistance value fluctuations. If the mechanical stress in the platinum thin film structure is severe, the latter can also be damaged or suspended.

これまで、熱膨張係数が近い材料の組み合わせによってこの問題に対処する試みが行われてきた。例えば、酸化ジルコニウムからなるセラミック担体が、プラチナ薄膜構造体と組み合わせて使用される。しかし、それらには以下のような欠点がある。そのように構成した要素は、さらにAlセラミックハイブリッド担体またはモジュール上に機械的に設置すると、ひび割れが起こり、より高いレベルの膨張の結果、最終的に冷却の際、破壊される。 In the past, attempts have been made to address this problem by combining materials with similar coefficients of thermal expansion. For example, a ceramic support made of zirconium oxide is used in combination with a platinum thin film structure. However, they have the following drawbacks. The element so constructed, when further mechanically placed on an Al 2 O 3 ceramic hybrid carrier or module, cracks and eventually breaks upon cooling as a result of the higher level of expansion.

導入部で引用した先行技術では、別の方法が遂行されている。それは、担体とプラチナ薄膜との間にガラス層を用いて、熱により引き起こされる応力を低減する試みである。そのような構造を有するセンサは、自動車産業における薄膜センサの安定性および耐久性に関して求められる高い要求を満たしていない。   In the prior art cited in the introduction, another method is performed. It is an attempt to reduce heat-induced stress by using a glass layer between the support and the platinum film. Sensors having such a structure do not meet the high demands regarding the stability and durability of thin film sensors in the automotive industry.

本発明の目的は、プラチナまたはプラチナ合金からなる薄膜構造体が上に配置されたセラミック担体であって、高い変動温度負荷がある場合の抵抗値のドリフトが低減されているという改善がなされたセラミック担体を特定することである。本発明のさらなる目的は、そのような担体を備えるセンサ素子、加熱素子、およびセンサモジュール、ならびにそのようなセラミック担体の製造方法を特定することである。   An object of the present invention is a ceramic carrier on which a thin film structure made of platinum or a platinum alloy is arranged, and the ceramic having an improved resistance value drift when there is a high fluctuating temperature load. It is to identify the carrier. A further object of the present invention is to identify a sensor element, a heating element and a sensor module comprising such a carrier and a method for producing such a ceramic carrier.

本発明によれば、セラミック担体に関する目的は、請求項1の主題により達成され、センサ素子、加熱素子、およびセンサモジュールに関する目的は、請求項16の主題により達成され、方法に関する目的は、請求項18の主題により達成される。   According to the invention, the object relating to the ceramic carrier is achieved by the subject matter of claim 1, the object relating to the sensor element, the heating element and the sensor module is achieved by the subject matter of claim 16, and the object relating to the method is claimed in claim. Achieved by 18 themes.

本発明は、プラチナまたはプラチナ合金からなる薄膜構造体が上に配置されたセラミック担体、特にAl担体を仕様として含む。担体および/または薄膜構造体は、異なる熱膨張係数による機械的応力を低減するようになっている。これは、本発明により、個別に見れば各々が抵抗値のドリフトを低減する、担体の以下の特徴により達成される。それらの特徴を組み合わせることによりこの効果は強化される。 The invention includes as a specification a ceramic support, in particular an Al 2 O 3 support, on which a thin film structure made of platinum or a platinum alloy is arranged. The carrier and / or thin film structure is adapted to reduce mechanical stress due to different coefficients of thermal expansion. This is achieved according to the invention by the following features of the carrier which, when viewed individually, each reduce resistance drift. This effect is enhanced by combining these features.

以下に特定する特徴は、各々、担体と薄膜構造体との間の異なる熱膨張係数に起因する薄膜構造体での機械的応力を低減または緩和するという基本的なコンセプトを実現する。この目的のため、担体と薄膜構造体との間の相対的移動が少なくとも部分的に許容され、かつ/または、薄膜構造体を改良することによって、熱により引き起こされる材料の膨張の差異が補償され、それにより薄膜構造体において引き起こされる機械的応力ができるだけ低くなるようになっている。   The features specified below each implement the basic concept of reducing or mitigating mechanical stresses in the thin film structure due to different thermal expansion coefficients between the support and the thin film structure. For this purpose, the relative movement between the carrier and the thin film structure is at least partly allowed and / or the improvement of the thin film structure compensates for differences in material expansion caused by heat. Thereby, the mechanical stress caused in the thin film structure is made as low as possible.

具体的に、本発明によれば、このことは、密着を低減するため、薄膜構造体の領域にある担体表面を少なくとも部分的に平滑化することによって達成される(特徴a)。   Specifically, according to the invention, this is achieved by at least partially smoothing the carrier surface in the region of the thin film structure in order to reduce adhesion (feature a).

粗さの低減の効力により、薄膜構造体の担体表面に対する密着の程度が低くなり、その結果、担体と薄膜構造体との間の相対的移動が可能となる。こうして達成される機械的な分離により、担体と薄膜構造体との間の熱膨張差に起因する薄膜構造体の塑性変形のリスクが低減される。   The effect of reducing the roughness reduces the degree of adhesion of the thin film structure to the support surface, thereby allowing relative movement between the support and the thin film structure. The mechanical separation thus achieved reduces the risk of plastic deformation of the thin film structure due to the thermal expansion difference between the carrier and the thin film structure.

加えてまたは代わりに、担体の表面は中間層を有し、その上に薄膜構造体が配置される。中間層の熱膨張係数は、8×10−6/K〜16×10−6/K、特に8.5×10−6/K〜14×10−6/Kである(特徴b)。 In addition or alternatively, the surface of the carrier has an intermediate layer on which the thin film structure is arranged. Thermal expansion coefficient of the intermediate layer is 8 × 10 -6 / K~16 × 10 -6 / K, in particular 8.5 × 10 -6 / K~14 × 10 -6 / K ( wherein b).

中間層の熱膨張係数を上記の範囲に設定することで、頻繁な温度変化サイクルの場合でも、プラチナ薄膜構造体の大きな変形につながらない、セラミック担体とプラチナ薄膜構造体との間の最適な結合を達成できることがわかった。こうして、中間層は、担体からプラチナ薄膜構造体への効果的な移行部分となり、それは、緩衝部として作用しかつ機械的応力のいくらかを吸収する。   By setting the thermal expansion coefficient of the intermediate layer within the above range, even in the case of frequent temperature change cycles, an optimum bond between the ceramic support and the platinum thin film structure that does not lead to large deformation of the platinum thin film structure is achieved. It turns out that it can be achieved. Thus, the intermediate layer becomes an effective transition from the carrier to the platinum thin film structure, which acts as a buffer and absorbs some of the mechanical stress.

加えてまたは代わりに、薄膜構造体は、少なくとも一つの導体路を有し、これは少なくとも部分的に波形でありかつ担体の表面に沿って水平方向に延在する(特徴c)。導体路の波形は、担体の表面に平行な平面に延在する。従って、波形は、深さ方向ではなく、水平方向に、すなわち担体の表面内に形成される。波形は、担体の表面に平行な一つの同じ平面に延在し得る。これは、担体の表面にプロファイルがない場合、すなわち表面が連続して平坦な場合である。また、水平方向の波形に担体の深さ方向のさらなる波形を重ねることもできる。例えば、これは、さらに後述する深さ方向のプロファイルとの組み合わせによってもたらされる。波形の主な配向は、水平方向である。   In addition or alternatively, the thin film structure has at least one conductor track, which is at least partly corrugated and extends horizontally along the surface of the carrier (feature c). The waveform of the conductor track extends in a plane parallel to the surface of the carrier. The corrugations are thus formed in the horizontal direction, i.e. in the surface of the carrier, not in the depth direction. The corrugations can extend in one and the same plane parallel to the surface of the carrier. This is the case when there is no profile on the surface of the carrier, i.e. the surface is continuously flat. Further, a further waveform in the depth direction of the carrier can be superimposed on the waveform in the horizontal direction. For example, this is brought about by a combination with a profile in the depth direction, which will be further described below. The main orientation of the waveform is in the horizontal direction.

波形の導体路の振幅は、0.2×B〜2×B、特に0.4×B〜1×Bである。波形の導体路の波長は、3×B〜10×B、特に4×B〜7×Bであり、ここで、「B」は、各々の場合、導体路の幅である。   The amplitude of the corrugated conductor path is 0.2 × B to 2 × B, particularly 0.4 × B to 1 × B. The wavelength of the corrugated conductor track is 3 × B to 10 × B, in particular 4 × B to 7 × B, where “B” is the width of the conductor track in each case.

この形状のおかげで、波形の導体路は、担体と薄膜構造体の膨張差により薄膜構造体で生じる機械的応力を緩和する。全体的に見て、直線的なすなわち波形でない導体路とは対照的に、波形の導体路は、変形が少ないという結果をもたらす。導体路での応力集中は、波形の形状によって所望の態様で変化させることができる。   Thanks to this shape, the corrugated conductor path relieves the mechanical stress produced in the thin film structure due to the expansion difference between the carrier and the thin film structure. Overall, corrugated conductor paths, in contrast to linear or non-corrugated conductor paths, result in less deformation. The stress concentration in the conductor path can be changed in a desired manner depending on the waveform shape.

加えてまたは代わりに、酸化物ナノ粒子、特にAlおよび/またはMgOからなる酸化物ナノ粒子を含む第1の被覆層が、薄膜構造体に付与される(特徴d)。 In addition or alternatively, a first coating layer comprising oxide nanoparticles, in particular oxide nanoparticles consisting of Al 2 O 3 and / or MgO, is applied to the thin film structure (feature d).

第1の被覆層は、不動態化層を形成して、プラチナ薄膜構造体を保護する。酸化物ナノ粒子は、温度変化がある場合、プラチナ薄膜構造体の膨張に合わせて被覆層の体積を変化させる。   The first coating layer forms a passivation layer to protect the platinum thin film structure. When there is a temperature change, the oxide nanoparticles change the volume of the coating layer in accordance with the expansion of the platinum thin film structure.

特徴a、b、cおよびdを以下のように組み合わせることで、抵抗値のドリフトが効果的に低減されることがわかった。請求項1から得られる特徴の他の組み合わせも排除されるわけではない。   It has been found that the resistance value drift is effectively reduced by combining the features a, b, c and d as follows. Other combinations of features obtained from claim 1 are not excluded.

それぞれの場合、特徴dと特徴a、bおよびcの一つとの組み合わせ。
特徴a、cおよびdの組み合わせ。
特徴b、cおよびdの組み合わせ。
特徴a、b、cおよびdの組み合わせ。
In each case, a combination of feature d and one of features a, b and c.
A combination of features a, c and d.
A combination of features b, c and d.
A combination of features a, b, c and d.

本発明の好ましい実施形態では、薄膜構造体の領域における表面が、少なくとも一つの摺動部および少なくとも一つの密着部を形成する。担体の表面粗さは、摺動部の領域よりも密着部の領域において高い。言い換えれば、摺動部は平滑化されている。密着部は平滑化されていないかまたは摺動部よりも平滑化の程度が低い。   In a preferred embodiment of the invention, the surface in the region of the thin film structure forms at least one sliding part and at least one tight contact part. The surface roughness of the carrier is higher in the close contact area than in the sliding area. In other words, the sliding part is smoothed. The close contact portion is not smoothed or is less smoothed than the sliding portion.

これには利点、すなわち、薄膜構造体の重要でない領域(密着部)では未処理表面の良好な密着が保持され、温度変化の場合に大きな応力が生じる領域(摺動部)では所望の態様で密着が低減されるという利点がある。極端な場合、摺動部の領域において、担体の表面と薄膜構造体との間に相対的移動が生じる。一つまたは複数の密着部の領域において、薄膜構造体は担体の表面に結合されたままとなっている。これにより、薄膜構造体は、所定の部分で担体に固定され、所定の部分で担体から切り離され、担体の表面と薄膜構造体との間で相対的移動が可能になっている。   This is an advantage, that is, good adhesion of the untreated surface is maintained in an unimportant region (contact portion) of the thin film structure, and in a desired manner in a region (sliding portion) where a large stress occurs in the case of a temperature change. There is an advantage that adhesion is reduced. In extreme cases, relative movement occurs between the surface of the carrier and the thin film structure in the region of the sliding part. The thin film structure remains bonded to the surface of the carrier in the region of the one or more close contact portions. As a result, the thin film structure is fixed to the carrier at a predetermined portion and is separated from the carrier at the predetermined portion, thereby enabling relative movement between the surface of the carrier and the thin film structure.

一方、薄膜構造体の全領域において表面を平滑化することができる。この変形例は、製造が簡単であるという利点がある。この薄膜構造体の固定は十分である。というのも、一般に動作時に生じる不均一な温度分布のため、局所的な熱誘起応力が生じ、薄膜構造体の複数の部分が異なるレベルの負荷にさらされるからである。   On the other hand, the surface can be smoothed in the entire region of the thin film structure. This modification has the advantage that it is easy to manufacture. The thin film structure is sufficiently fixed. This is because, due to the non-uniform temperature distribution that typically occurs during operation, local heat-induced stresses occur, and portions of the thin film structure are exposed to different levels of load.

好ましい態様において、薄膜構造体の領域における表面は、少なくとも一つの凹部を形成する深さ方向のプロファイルを特に帯状の形状で有し、当該凹部の表面は平滑化されている。当該凹部の表面は、深さ方向のプロファイルのより高い位置にある領域(例えば、担体のプロファイルされていない表面領域)より粗さが低い。   In a preferred embodiment, the surface in the region of the thin film structure has a profile in the depth direction that forms at least one recess, particularly in the shape of a band, and the surface of the recess is smoothed. The surface of the recess is less rough than a region at a higher position in the depth profile (for example, an unprofiled surface region of the carrier).

これは、膨張の際、薄膜構造体が凹部から離脱できるという効果がある。この場合、薄膜構造体は一部機械的に担体から切り離される。また、薄膜構造体は、離脱の際に凹部の領域において伸ばされることが可能で、それによりその形状を変化させ、結果として薄膜構造体における機械的応力が低減される。   This has the effect that the thin film structure can be detached from the recess during expansion. In this case, the thin film structure is partly mechanically separated from the carrier. In addition, the thin film structure can be stretched in the region of the recess when detached, thereby changing its shape and consequently reducing the mechanical stress in the thin film structure.

好ましい実施形態において、薄膜構造体の少なくとも一つの導体路は、帯状の深さ方向のプロファイルに対し、特に30°〜90°の範囲の角度で配置される。この実施形態は、一般的な導体路構造に対し、膨張の効果的な補償をもたらす。蛇行する導体路の場合、それらは、繰り返し帯状の深さ方向のプロファイルを横切り、それにより導体路の複数の箇所で、膨張の補償が行われるようになっている。これは、複数の個別の導体路を有する担体にも適用される。   In a preferred embodiment, the at least one conductor track of the thin-film structure is arranged at an angle in particular in the range of 30 ° to 90 ° with respect to the strip-like profile in the depth direction. This embodiment provides effective compensation of expansion for common conductor track structures. In the case of meandering conductor tracks, they repeatedly traverse the strip-like profile in the depth direction, so that expansion compensation is performed at a plurality of locations on the conductor tracks. This also applies to carriers having a plurality of individual conductor tracks.

凹部は、二つの傾斜した側面と側面間の底面とを有する台形の断面を有することができる。これら二つの側面は、水平方向に凹部の底面の境界を決定する。少なくとも一つの側面、特に両側面は、底面に対して10°〜80°、特に45°〜60°の角度で立ち上がる。この角度は、底面にまたがる仮想面と、対象となる側面を規定する他の仮想面との間で測定される。この実施形態は、薄膜構造体が容易に凹部から離脱できるという利点がある。これは、凹部の壁すなわち側面が傾斜しているからである。凹部の側面および底面は平滑化されていることが好ましい。これにより、離脱がさらに容易になる。   The recess may have a trapezoidal cross section having two inclined side surfaces and a bottom surface between the side surfaces. These two side surfaces determine the boundary of the bottom surface of the recess in the horizontal direction. At least one side, in particular both sides, rises at an angle of 10 ° to 80 °, in particular 45 ° to 60 ° with respect to the bottom. This angle is measured between a virtual surface that spans the bottom surface and another virtual surface that defines the target side surface. This embodiment has an advantage that the thin film structure can be easily detached from the recess. This is because the wall or side surface of the recess is inclined. The side surface and the bottom surface of the recess are preferably smoothed. This further facilitates detachment.

凹部の深さは、0.4μm〜1.2μm、特に0.6μm〜1.0μmが好ましく、かつ/または、凹部の幅は、5μm〜20μm、特に10μm〜15μmが好ましい。凹部の寸法は、とりわけ、構造体のそれぞれの層の厚さに応じて選択される。   The depth of the recess is preferably 0.4 μm to 1.2 μm, particularly preferably 0.6 μm to 1.0 μm, and / or the width of the recess is preferably 5 μm to 20 μm, particularly preferably 10 μm to 15 μm. The dimensions of the recesses are selected depending on, among other things, the thickness of each layer of the structure.

帯状の深さ方向のプロファイルは、複数の平行な凹部を有することができ、凹部の間隔は、5μm〜20μm、特に10μm〜15μmである。個々の導体路または複数の導体路が、複数の平行な凹部に交差し、それにより一つまたは複数の導体路の長さに沿って膨張の補償が繰り返し行われるようになっている。これにより、導体路全体に沿ってかつ/または導体路の特に重要な部分において、抵抗値のドリフトが低減されるという利点がもたらされる。   The strip-like profile in the depth direction can have a plurality of parallel recesses, and the interval between the recesses is 5 μm to 20 μm, particularly 10 μm to 15 μm. An individual conductor track or a plurality of conductor tracks intersect a plurality of parallel recesses, so that expansion compensation is repeated along the length of one or more conductor tracks. This provides the advantage that resistance drift is reduced along the entire conductor track and / or in a particularly important part of the conductor track.

好ましい実施形態において、中間層の熱膨張係数は、薄膜構造体の熱膨張係数の最大1.5倍である。中間層の緩衝作用を最適化するためには、中間層の熱膨張係数の上限を制限することが好都合であることがわかった。   In a preferred embodiment, the thermal expansion coefficient of the intermediate layer is up to 1.5 times the thermal expansion coefficient of the thin film structure. In order to optimize the buffering action of the intermediate layer, it has proved advantageous to limit the upper limit of the thermal expansion coefficient of the intermediate layer.

中間層の厚さは、0.2μm〜3μm、特に1μm〜2.2μmとすることができる。これらの厚さが実際には好都合であることがわかった。   The thickness of the intermediate layer can be 0.2 μm to 3 μm, in particular 1 μm to 2.2 μm. These thicknesses have proven to be advantageous in practice.

中間層は、少なくとも一つの電気絶縁性金属酸化物を含んでもよい。特に、中間層全体が、電気絶縁性金属酸化物からなってもよい。金属酸化物が電気的に絶縁されるので、プラチナ薄膜構造体の機能をそれにより損なうことなく、担体の連続する領域を、中間層としての金属酸化物により被覆することができる。   The intermediate layer may include at least one electrically insulating metal oxide. In particular, the entire intermediate layer may be made of an electrically insulating metal oxide. Since the metal oxide is electrically insulated, successive regions of the support can be covered with the metal oxide as an intermediate layer without thereby compromising the function of the platinum thin film structure.

特に好ましい実施形態において、中間層はMgOおよび/またはBaOを含む。中間層全体が、MgOおよび/またはBaOならびに不可避不純物からなってもよい。代替例として、中間層は、少なくとも一つの電気絶縁性金属酸化物とAlの混合物を含むかまたは全体的にこの混合物からなってもよい。この混合物の金属酸化物は、MgOおよび/またはBaOとすることができる。Alとの混合物の利点には、Alの含有量を設定することにより中間層の熱膨張係数を変えられること、そして、それにより担体と薄膜構造体の各材料の組み合わせに応じて、さらに熱的要件および機械的要件に応じて、中間層の熱膨張係数を最適にできることがある。 In particularly preferred embodiments, the intermediate layer comprises MgO and / or BaO. The entire intermediate layer may consist of MgO and / or BaO and inevitable impurities. As an alternative, the intermediate layer may comprise or consist entirely of a mixture of at least one electrically insulating metal oxide and Al 2 O 3 . The metal oxide of this mixture can be MgO and / or BaO. The advantage of the mixture with Al 2 O 3 is that the thermal expansion coefficient of the intermediate layer can be changed by setting the content of Al 2 O 3 , and thereby the combination of each material of the support and the thin film structure Accordingly, the thermal expansion coefficient of the intermediate layer may be optimized depending on the thermal and mechanical requirements.

さらに好ましい実施形態において、波形の導体路は、表面に沿って水平方向に延在する複数の弧を有し、それらの弧の間の少なくとも導体路部分に、波形の構造が形成される。代わりに、波形の導体路は、櫛状に配列された、電極の複数の指状部を形成してもよい。   In a further preferred embodiment, the corrugated conductor track has a plurality of arcs extending horizontally along the surface, and a corrugated structure is formed at least in the conductor track portion between the arcs. Alternatively, the corrugated conductor path may form a plurality of electrode fingers arranged in a comb shape.

例えば温度測定のための一般的なセンサ素子の場合、導体路の配置は、蛇行した構造を有する。導体路の蛇行形状は、上部構造を構成する。導体路の波形が下部構造を形成し、下部構造は、上部構造に統合され、かつ上部構造の弧の間の導体路部分に沿って延在する。下部構造の形成およびその抵抗値ドリフトに対する効果は、実質的に上部構造の形成とは無関係である。この点で、「弧」という用語は広義に理解すべきであり、そして、導体路における方向の曲線的または矩形的変化を包含し得るものである。   For example, in the case of a general sensor element for temperature measurement, the arrangement of the conductor path has a meandering structure. The meandering shape of the conductor path constitutes the superstructure. The corrugations of the conductor tracks form the lower structure, which is integrated into the upper structure and extends along the portion of the conductor path between the arcs of the upper structure. The formation of the substructure and its effect on resistance drift is substantially independent of the formation of the superstructure. In this regard, the term “arc” should be understood broadly and can encompass curvilinear or rectangular changes in direction in the conductor track.

波形の導体路は、正弦波および/または鋸歯形状の波および/または台形波の形状で実施してもよい。波の異なる形状は、熱負荷が変動する場合に、導体路における応力集中の分布に影響を及ぼす。その形状は、担体の用途のそれぞれの条件を考慮して選択される。   The corrugated conductor path may be implemented in the form of a sine wave and / or a sawtooth wave and / or a trapezoidal wave. Different shapes of the waves affect the stress concentration distribution in the conductor track when the thermal load varies. The shape is selected in consideration of the respective conditions of use of the carrier.

第1の被覆層は、特にガラスからなる第2の被覆層により密封封止されてもよい。結果として、第1の被覆層またはプラチナ薄膜構造体全体が、測定媒体による腐食から確実に保護される。   The first covering layer may be hermetically sealed with a second covering layer made of glass in particular. As a result, the first covering layer or the entire platinum thin film structure is reliably protected from corrosion by the measuring medium.

担体は、センサ素子もしくは加熱素子またはセンサモジュールに一体化される。可能なセンサ素子は、例えば、温度センサ素子、流量センサ、煤センサ等である。本発明による担体は、加熱素子の構成部品であってもよい。センサモジュールは、多機能構造を有しかつプラチナ薄膜技術に基づく基本的モジュールである。これらは、例えば、用途に特有の態様で構成されるセンサ/ヒータの組み合わせおよび電極からなる。カスタマーにより感知層が電極に付与されてもよい。   The carrier is integrated into the sensor element or heating element or sensor module. Possible sensor elements are, for example, temperature sensor elements, flow sensors, soot sensors and the like. The carrier according to the invention may be a component of a heating element. The sensor module is a basic module with a multi-functional structure and based on platinum thin film technology. These consist, for example, of sensor / heater combinations and electrodes configured in a manner specific to the application. A sensing layer may be applied to the electrode by the customer.

センサモジュールの好ましい実施形態では、様々なセンサ構造体を担体の上に配置する。この点に関し、プラチナまたはプラチナ合金からなる薄膜構造体は、少なくとも一つのセンサ構造体を形成し、かつ電極構造体が、少なくとも一つの他のセンサ構造体を形成してもよい。特に、プラチナ薄膜構造体は、温度センサ/ヒータの組み合わせを形成することができる。   In a preferred embodiment of the sensor module, various sensor structures are placed on the carrier. In this regard, the thin film structure made of platinum or platinum alloy may form at least one sensor structure, and the electrode structure may form at least one other sensor structure. In particular, the platinum thin film structure can form a temperature sensor / heater combination.

請求項1に記載のセラミック担体を製造する方法は、少なくとも薄膜構造体の領域における担体の表面を、エッチング、特にプラズマイオンエッチングにより、除去しかつそれにより平滑化することを含む。加えてまたは代わりに、中間層を、薄膜法、特にPVD法またはCVD法によって、担体の表面に付与してもよい。加えてまたは代わりに、波形の導体路を、薄膜法、特にPVD法もしくはCVD法またはリソグラフィー法によって担体の表面に付与してもよい。   The method for producing a ceramic carrier according to claim 1 comprises removing and smoothing at least the surface of the carrier in the region of the thin film structure by etching, in particular plasma ion etching. In addition or alternatively, the intermediate layer may be applied to the surface of the support by thin film methods, in particular PVD methods or CVD methods. In addition or alternatively, corrugated conductor tracks may be applied to the surface of the carrier by thin film methods, in particular PVD or CVD methods or lithographic methods.

例示の実施形態に基づきかつ添付の図面を参照して、以下に本発明をさらに詳細に説明する。図面の簡単な説明は以下の通りである。   The invention will be described in more detail below on the basis of exemplary embodiments and with reference to the accompanying drawings. A brief description of the drawings follows.

表面が深さ方向のプロファイルで構成される、本発明の一実施形態による担体の断面図である。1 is a cross-sectional view of a carrier according to an embodiment of the invention, the surface of which is configured with a depth profile. 表面が図1と同様に構成されかつさらにプラチナ薄膜構造体で被覆される、本発明の他の実施形態による担体の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a carrier according to another embodiment of the present invention, the surface of which is configured as in FIG. 図1に示す担体の平面図である。It is a top view of the support | carrier shown in FIG. プラチナ薄膜構造体と担体の間に中間層が配置される、本発明の他の実施形態による担体の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of a carrier according to another embodiment of the present invention in which an intermediate layer is disposed between the platinum thin film structure and the carrier. 直線状の導体路と対比した波形の導体路の平面図である。It is a top view of the corrugated conductor path compared with the linear conductor path. a〜dは、異なる形状を有する波形の導体路の平面図である。a to d are plan views of corrugated conductor paths having different shapes. プラチナ薄膜構造体が被覆層で保護される、本発明の他の実施形態による担体の断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a carrier according to another embodiment of the present invention in which a platinum thin film structure is protected with a coating layer. 本発明の一実施形態による担体上に配置される様々な薄膜構造体を備えるセンサモジュールの分解図である。2 is an exploded view of a sensor module comprising various thin film structures disposed on a carrier according to an embodiment of the present invention. FIG.

図1は、本発明の一実施形態によるセラミック担体の断面図である。具体的に、このセラミック担体は、Al担体(酸化アルミニウム担体)である。この担体は、薄膜構造体(図1に図示せず)のための基板またはセラミック支持体として働く。Alは、セラミック担体の材料として好都合であることがわかっており、特にAlが96重量%以上のセラミック担体が好都合であり、さらにAlが99重量%を超えるセラミック担体がより好ましい。この担体は、厚さが100μm〜1000μmの範囲、特に150μm〜650μmの範囲にある、板形状にすることができる。他の板厚も可能である。熱応答の挙動を踏まえて、担体の厚さはできるだけ薄くなるよう選択することが望ましい。自動車分野での用途においては特に、過酷な振動負荷が頻繁に起こるので、担体の機械的安定性により板厚の下限が決まってくる。セラミック担体は、矩形の板状にすることができる。担体は他の形状も可能である。 FIG. 1 is a cross-sectional view of a ceramic carrier according to an embodiment of the present invention. Specifically, this ceramic support is an Al 2 O 3 support (aluminum oxide support). This carrier serves as a substrate or ceramic support for the thin film structure (not shown in FIG. 1). Al 2 O 3 has been found to be advantageous as a material for the ceramic support, particularly a ceramic support with an Al 2 O 3 content of 96 wt% or more, and a ceramic with an Al 2 O 3 content of 99 wt% or more. A carrier is more preferred. The carrier can be in the form of a plate having a thickness in the range of 100 μm to 1000 μm, in particular in the range of 150 μm to 650 μm. Other plate thicknesses are possible. In view of the behavior of thermal response, it is desirable to select the thickness of the carrier as thin as possible. Particularly in applications in the automotive field, severe vibration loads frequently occur, so the lower limit of the plate thickness is determined by the mechanical stability of the carrier. The ceramic carrier can be a rectangular plate. Other shapes for the carrier are possible.

担体の一般的な形状および材料の組成に関する上記の説明は、概して本発明に当てはまり、かつすべての実施形態に関して開示されるものである。   The above description regarding the general shape of the carrier and the composition of the material generally applies to the present invention and is disclosed for all embodiments.

図1に示す担体は、使用される材料の熱膨張係数の違いに起因する機械的応力を低減するようになっている。この目的のため、薄膜構造体の領域における担体の表面は平滑化される。この目的のために二つの可能な方法がある。一つは薄膜構造体の全領域において担体を平滑化することである。これは製造の観点からは実現が容易である。もう一つは、薄膜構造体の領域において担体を部分的に平滑化することである。   The carrier shown in FIG. 1 is designed to reduce mechanical stress due to the difference in thermal expansion coefficient of the material used. For this purpose, the surface of the carrier in the region of the thin film structure is smoothed. There are two possible ways for this purpose. One is to smooth the carrier in the entire region of the thin film structure. This is easy to realize from a manufacturing point of view. Another is to partially smooth the carrier in the region of the thin film structure.

平滑化された表面11は、薄膜構造体の密着が低減されるという効果があり、従って、線形膨張の差を補償するために、密着が低減された薄膜構造体は、担体の表面11上を摺動することができる。表面11が重要な領域だけ部分的に平滑化される場合、未処理の表面領域は、薄膜構造体に対する密着を確実なものにする。その一例を図1に示す。そこにおいて、表面11は、少なくとも一つの凹部17を形成する帯状の深さ方向のプロファイルを有し、凹部17の表面11は平滑化されている。凹部17に直接隣接する両側の表面11の領域は、処理されていない。その結果、担体の表面11は、凹部17の領域に摺動部15を形成し、いずれの場合も、当該摺動部は、水平方向の境界が密着部16により決定されている。密着部16は、凹部17に隣接する表面領域により形成される。   The smoothed surface 11 has the effect that the adhesion of the thin film structure is reduced, so that the thin film structure with reduced adhesion is placed on the surface 11 of the carrier in order to compensate for the difference in linear expansion. Can slide. If the surface 11 is partially smoothed only in critical areas, the untreated surface area ensures tight adhesion to the thin film structure. An example is shown in FIG. The surface 11 has a strip-like profile in the depth direction that forms at least one recess 17, and the surface 11 of the recess 17 is smoothed. The areas of the surface 11 on both sides directly adjacent to the recess 17 are not treated. As a result, the surface 11 of the carrier forms a sliding portion 15 in the region of the recess 17, and in any case, the horizontal boundary of the sliding portion is determined by the contact portion 16. The close contact portion 16 is formed by a surface region adjacent to the concave portion 17.

摺動部15または凹部17の領域において、図2に示すプラチナ薄膜構造体と担体との間の密着が低減されている。プラチナ薄膜構造体10が線形膨張した場合、このことは、凹部17の領域において薄膜構造体の離脱をもたらし得る。凹部17に隣接する担体のこれらの表面領域は処理されていないので、凹部17の領域よりもこれらの領域において粗さは高い。このように形成された密着部16は、摺動部15同士または凹部17同士の間において、プラチナ薄膜構造体10を固定する。プラチナ薄膜構造体が線形膨張した場合、薄膜構造体は、凹部17の領域を離脱し、引き延ばされ得る。プラチナ薄膜構造体10のこのような形状変化は、担体からの離脱と相まって、担体とプラチナ薄膜構造体10との熱膨張係数差に起因するプラチナ薄膜構造体10の変形を顕著に防止するという効果を有する。   In the region of the sliding portion 15 or the concave portion 17, the adhesion between the platinum thin film structure shown in FIG. 2 and the carrier is reduced. If the platinum thin film structure 10 is linearly expanded, this can result in the thin film structure being detached in the region of the recess 17. Since these surface areas of the carrier adjacent to the recesses 17 have not been treated, the roughness in these areas is higher than the area of the recesses 17. The close contact portion 16 thus formed fixes the platinum thin film structure 10 between the sliding portions 15 or the recesses 17. When the platinum thin film structure linearly expands, the thin film structure can leave the region of the recess 17 and be stretched. Such a change in the shape of the platinum thin film structure 10 is coupled with the separation from the carrier, and the effect of remarkably preventing the deformation of the platinum thin film structure 10 due to the difference in thermal expansion coefficient between the carrier and the platinum thin film structure 10. Have

表面11からのプラチナ薄膜構造体10の離脱は、凹部17の断面が台形であるということにより容易になる。断面は、二つの側面18によって画定されている。二つの側面18は、傾斜して配置され、かつ凹部17の底面19の水平方向の境界を決定している。側面18は、10°〜80°の角度、特に45°〜60°の角度で立ち上がる。この角度は、底面19を通る第1の仮想平面と、対象となる側面を通る第2の仮想平面とにより決定される。凹部17の深さは、0.4μm〜1.2μmの範囲、特に0.6μm〜1.0μmの範囲にすることができる。その幅は、5μm〜20μm、特に10μm〜15μmとすることができる。   Removal of the platinum thin film structure 10 from the surface 11 is facilitated by the fact that the recess 17 has a trapezoidal cross section. The cross section is defined by two side surfaces 18. The two side surfaces 18 are inclined and determine the horizontal boundary of the bottom surface 19 of the recess 17. The side surface 18 rises at an angle of 10 ° to 80 °, particularly 45 ° to 60 °. This angle is determined by the first virtual plane passing through the bottom surface 19 and the second virtual plane passing through the target side surface. The depth of the recess 17 can be in the range of 0.4 μm to 1.2 μm, particularly in the range of 0.6 μm to 1.0 μm. Its width can be 5 μm to 20 μm, in particular 10 μm to 15 μm.

さらに図1でわかるように、帯状の深さ方向のプロファイルは、担体の表面11に沿って伸びる複数の平行な凹部17を有する。凹部17の間隔は、5μm〜20μm、特に10μm〜15μmとすることができる。凹部17は、平行に等間隔で配置される。   As can also be seen in FIG. 1, the strip-like depth profile has a plurality of parallel recesses 17 extending along the surface 11 of the carrier. The space | interval of the recessed part 17 can be 5 micrometers-20 micrometers, especially 10 micrometers-15 micrometers. The recesses 17 are arranged in parallel at equal intervals.

深さ方向のプロファイルの形成から得られる部分的に平滑化された表面の代わりに、プロファイルなしに表面を平滑化することができる。これは、深さ方向のプロファイルなしに、表面を均一に平滑化することを意味する。   Instead of a partially smoothed surface resulting from the formation of a depth profile, the surface can be smoothed without a profile. This means that the surface is evenly smoothed without a profile in the depth direction.

平滑化は、表面の除去によって行うことができる。この除去は、イオンエッチング、特にプラズマイオンエッチングにより実行することができ、除去深さは、0.2μm〜2μmとすることができる。部分的除去または部分的平滑化を、イオンエッチングの前に付与されエッチング操作時に被覆領域を保護するレジストマスクによって、達成することができる。   Smoothing can be done by removing the surface. This removal can be performed by ion etching, particularly plasma ion etching, and the removal depth can be 0.2 μm to 2 μm. Partial removal or partial smoothing can be achieved by a resist mask that is applied prior to ion etching and that protects the coated area during the etching operation.

図2および図3は、プラチナ薄膜構造体10が担体の深さ方向のプロファイルに適合する様子を示す。この点に関し、図2は、深さ方向のプロファイルの形状がプラチナ薄膜構造体10の形状に反映されることを具体的に示す。この方法によって、深さ方向のプロファイルが台形に形成されることになる。これは、いくつかの工程(連続的プロファイリング)を回避する。プラチナ薄膜構造体10は、ほぼ一定の層厚で、基板全体にわたって深さ方向のプロファイルに追随する。   2 and 3 show how the platinum thin film structure 10 conforms to the depth profile of the carrier. In this regard, FIG. 2 specifically shows that the shape of the profile in the depth direction is reflected in the shape of the platinum thin film structure 10. By this method, the profile in the depth direction is formed into a trapezoid. This avoids several steps (continuous profiling). The platinum thin film structure 10 follows a profile in the depth direction over the entire substrate with a substantially constant layer thickness.

図3の平面図に示すように、導体路13は、横方向に、すなわち90°の角度で、凹部17に交差している。例えば、導体路13の蛇行した形状に応じて、他の交差角度も可能である。導体路13は、30°〜90°の範囲の角度で凹部17に交差することができる。   As shown in the plan view of FIG. 3, the conductor path 13 intersects the recess 17 in the lateral direction, that is, at an angle of 90 °. For example, other crossing angles are possible depending on the serpentine shape of the conductor track 13. The conductor track 13 can intersect the recess 17 at an angle in the range of 30 ° to 90 °.

図2は、プラチナ薄膜構造体の上の層構造をさらに示す。第1の被覆層14aが、プラチナ薄膜構造体13に直接付与され、プラチナ薄膜構造体の不動態化のために機能する。第2の被覆層14bは、第1の被覆層14aに付与され、第1の被覆層14aを密封封止する。   FIG. 2 further shows the layer structure on top of the platinum thin film structure. The first covering layer 14a is directly applied to the platinum thin film structure 13 and functions for passivation of the platinum thin film structure. The second coating layer 14b is applied to the first coating layer 14a and hermetically seals the first coating layer 14a.

図4は、本発明の他の実施形態を示し、そこにおいて、中間層12が、担体とプラチナ薄膜構造体10との間に配置される。中間層12は、界面層とも呼ばれ、電気絶縁性金属酸化物から形成される。これは、緩衝部の機能を有し、ミスマッチにより生じる応力を吸収し、かつ少なくとも部分的に担体内部に応力を伝える。中間層12は、セラミック担体、特にAlよりも熱膨張係数が大きく、また、それは、プラチナの熱膨張係数より最大で50%高くてもよい。薄膜技術により付与され、層厚が0.2μm〜3μmの酸化マグネシウム層(MgO)が、実際に好都合であることがわかった。酸化マグネシウムの熱膨張係数は13×10−6/Kである。この熱膨張係数は、6.5×10−6/KであるAlの熱膨張係数および9.1×10−6/Kであるプラチナの熱膨張係数より大きい。酸化マグネシウム(MgO)の代わりに、酸化バリウム(BaO)を中間層12に用いることもできる。中間層12の熱膨張係数を設定するために、電気絶縁性金属酸化物、例えば酸化マグネシウムと、Alとの混合物を使用することができる。中間層12の熱膨張係数は、Alの含有量に応じて変化する。 FIG. 4 shows another embodiment of the present invention in which an intermediate layer 12 is disposed between the support and the platinum thin film structure 10. The intermediate layer 12 is also called an interface layer, and is formed from an electrically insulating metal oxide. This has the function of a buffer, absorbs the stress caused by the mismatch and transmits the stress at least partially inside the carrier. The intermediate layer 12 has a higher coefficient of thermal expansion than the ceramic support, in particular Al 2 O 3 , and it may be up to 50% higher than that of platinum. A magnesium oxide layer (MgO) applied by thin film technology and having a layer thickness of 0.2 μm to 3 μm has proven to be practical. Magnesium oxide has a thermal expansion coefficient of 13 × 10 −6 / K. This coefficient of thermal expansion is greater than the coefficient of thermal expansion of Al 2 O 3 which is 6.5 × 10 −6 / K and the coefficient of thermal expansion of platinum which is 9.1 × 10 −6 / K. Instead of magnesium oxide (MgO), barium oxide (BaO) can be used for the intermediate layer 12. In order to set the thermal expansion coefficient of the intermediate layer 12, an electrically insulating metal oxide, for example, a mixture of magnesium oxide and Al 2 O 3 can be used. The thermal expansion coefficient of the intermediate layer 12 changes according to the content of Al 2 O 3 .

一つまたは複数の導体路の形状を変えた別の実施形態を、図5および図6a〜図6dに示す。本実施形態の基礎となるコンセプトは、図5の上部に示すような線形ではなく、むしろ非線形で、特に図5の下部に示すような波形で、導体路13を形成することを含む。水平方向に、すなわち担体の表面11に沿って延在する波形は、プラチナ薄膜構造体の線形膨張差が、X成分とY成分に分離されるという効果を有する。この分離は、過酷な変動熱負荷がある場合に、プラチナ薄膜構造体の安定性に対してプラスの効果があることがわかった。   Another embodiment in which the shape of one or more conductor tracks is varied is shown in FIGS. 5 and 6a-6d. The concept underlying this embodiment involves forming the conductor track 13 in a non-linear rather than linear fashion as shown in the upper part of FIG. 5 and in particular in a waveform as shown in the lower part of FIG. The corrugation extending in the horizontal direction, i.e. along the surface 11 of the carrier, has the effect that the linear expansion difference of the platinum thin film structure is separated into X and Y components. This separation has been found to have a positive effect on the stability of the platinum thin film structure in the presence of severe variable heat loads.

波形の導体路13の振幅は、0.2×B〜2×B、特に0.4×B〜1×Bである。その波長は、3×B〜10×B、特に4×B〜7×Bである。ここで、「B」は導体路13の幅を表す。「振幅」および「波長」という用語は、振動について慣用される変数と同様の意味を有するものと理解されたい。振幅は、波形のゼロラインに対するピーク値に相当する。波長は、同様に波のゼロラインに対する振動期間に相当する。ゼロラインは、波の長さ方向における対称軸である。   The amplitude of the corrugated conductor path 13 is 0.2 × B to 2 × B, particularly 0.4 × B to 1 × B. The wavelength is 3 × B to 10 × B, in particular 4 × B to 7 × B. Here, “B” represents the width of the conductor path 13. It should be understood that the terms “amplitude” and “wavelength” have the same meaning as the variables commonly used for vibration. The amplitude corresponds to the peak value with respect to the zero line of the waveform. The wavelength corresponds to the oscillation period for the wave zero line as well. The zero line is the axis of symmetry in the wave length direction.

図8に示すように、導体路13は、導体路13の波形とは別に、上位の蛇行形状を有することができる。導体路13の蛇行形状は、上部構造を構成し、これに導体路13の波形が重ねられる。この点に関し、導体路13の波形は、下部構造を構成するものであり、これは、蛇行形状(上部構造)の弧の間の導体路部分に少なくとも設けられる。また、蛇行形状の弧自体を下部構造に設けることもできる。「弧」という用語も、図8に示すように、導体路における直角の方向変化も意味するものとして理解されたい。また、波形の導体路13は、櫛状に配列された、電極の指状部を形成することができる(図8に示す)。この場合、直線状の指状部の形状は、上部構造を構成し、これに下部構造としての波形が重ねられる。   As shown in FIG. 8, the conductor path 13 can have an upper meandering shape separately from the waveform of the conductor path 13. The meandering shape of the conductor path 13 constitutes an upper structure, and the waveform of the conductor path 13 is superimposed on this. In this regard, the waveform of the conductor track 13 constitutes the lower structure, which is provided at least in the conductor path portion between the meandering (upper structure) arcs. In addition, the meandering arc itself can be provided in the lower structure. The term “arc” should also be understood to mean a change in direction perpendicular to the conductor track, as shown in FIG. Also, the corrugated conductor path 13 can form electrode fingers arranged in a comb shape (shown in FIG. 8). In this case, the shape of the linear finger portion constitutes the upper structure, and the waveform as the lower structure is superimposed on this.

図6a〜図6dには、波形の様々な形状が示されており、これらは、図5と同様に、直線的で波のない導体路と対比して示されている。例えば、図6aは、導体路13が正弦波形を有し得ることを示す。複数の導体路13が、同相で相互に並べて配列される。図6bは、波形の導体路13において、波が台形形状であるものを示す。波について別の例を図6cに示す。この例において、波は、鋸歯の形状を有する。ここで、矩形の蛇行形状を下部構造と呼ぶことも可能である。導体路13の方向変化は、90°の角度で行われている。図6aに示す正弦波と図6cに示す鋸歯形状の波を混合したものを図6dに示す。この場合、鋸歯形状の波の側部は、正弦波形状に近づけられ、丸くなっている。   6a to 6d show various shapes of the corrugations, which are shown in contrast to linear and wave-free conductor tracks, similar to FIG. For example, FIG. 6a shows that the conductor track 13 can have a sinusoidal waveform. A plurality of conductor paths 13 are arranged side by side in the same phase. FIG. 6b shows a wave-shaped conductor track 13 in which the wave is trapezoidal. Another example for waves is shown in FIG. In this example, the wave has a sawtooth shape. Here, the rectangular meandering shape can also be called a lower structure. The direction change of the conductor path 13 is performed at an angle of 90 °. FIG. 6d shows a mixture of the sine wave shown in FIG. 6a and the sawtooth wave shown in FIG. 6c. In this case, the side of the sawtooth wave is brought close to a sine wave shape and is rounded.

図7は、さらなる実施形態を示し、そこでは、酸化物ナノ粒子を加えることにより第1の層が改良されている。これは、第1の被覆層14aの体積が温度変化によって変化するという効果を有しており、これにより抵抗値のドリフトが低減される。第1の被覆層14aは、ガラスからなる第2の被覆層により密封封止される。   FIG. 7 shows a further embodiment in which the first layer is improved by adding oxide nanoparticles. This has the effect that the volume of the first coating layer 14a changes with temperature change, and this reduces resistance drift. The first coating layer 14a is hermetically sealed with a second coating layer made of glass.

上記の例示的な実施形態は、各々個別にプラチナ薄膜構造体10の寸法安定性を向上させ、それにより抵抗値のドリフトを打ち消す。従って、これらの例示的な実施形態は、それぞれ独立して開示されるものである。また、これらの例示的な実施形態は、図2に示す実施形態を参照して例示するように、互いに組み合わせることもできる。様々な例示的実施形態を組み合わせることは、相乗効果につながり、それは抵抗値ドリフトのさらなる低減として示される。   The exemplary embodiments described above individually improve the dimensional stability of the platinum thin film structure 10, thereby counteracting resistance drift. Accordingly, each of these exemplary embodiments is disclosed independently. These exemplary embodiments can also be combined with each other, as illustrated with reference to the embodiment shown in FIG. Combining various exemplary embodiments leads to a synergistic effect, which is shown as a further reduction in resistance drift.

具体的に、酸化物ナノ粒子からなる第1の被覆層14aは、すべての例示的実施形態と組み合わせることができる。というのも、抵抗値のドリフトを改善しながら、プラチナ薄膜構造体10が一般的に必要とする不動態化を実行できるからである。図2に示すように、第1の被覆層14aは、深さ方向のプロファイルおよび部分的に平滑化された表面11と組み合わされる。図4に示すように、第1の被覆層14aは、中間層12と組み合わせることもできる。また、中間層12は、波形の導体路13とともに使用することができる。さらに、図2に示す深さ方向のプロファイルは、図4に示す中間層と組み合わせることができ、また、図5に示す波形の導体路13と組み合わせることができ、あるいは図6a〜図6dに示す波形の一つと組み合わせることもできる。すべての例示的実施形態の組み合わせが可能である。   Specifically, the first coating layer 14a made of oxide nanoparticles can be combined with all exemplary embodiments. This is because the passivation generally required by the platinum thin film structure 10 can be performed while improving the drift of the resistance value. As shown in FIG. 2, the first covering layer 14a is combined with a profile in the depth direction and a partially smoothed surface 11. As shown in FIG. 4, the first covering layer 14 a can be combined with the intermediate layer 12. Further, the intermediate layer 12 can be used together with the corrugated conductor path 13. Furthermore, the profile in the depth direction shown in FIG. 2 can be combined with the intermediate layer shown in FIG. 4, and can be combined with the corrugated conductor path 13 shown in FIG. 5, or shown in FIGS. 6a to 6d. It can also be combined with one of the waveforms. Combinations of all exemplary embodiments are possible.

担体は、様々なセンサを構築するために使用することができる。例えば、プラチナ薄膜構造体を有する温度センサに担体を使用することが好都合である。流量測定センサの使用も同様に可能であり、その場合、加熱素子と温度測定素子とを流体測定の原理に従って組み合わせることができる。本発明のさらなる用途の例を、センサモジュールに関連して図8に示す。このセンサモジュールは、マルチセンサプラットフォームを構成し、担体基板23を有する。担体基板23は、上記の例示的実施形態の一つに従い改良することができる。例えば、帯状の深さ方向のプロファイル(図示せず)を、担体基板内に形成することができる。中間層12が、担体基板23上に配置され、中間層12上に配置されるプラチナ薄膜構造体10のための緩衝部として機能する。プラチナ薄膜構造体10は、各々接点接続を有するヒータおよび/またはセンサとすることができる。絶縁層20をプラチナ構造体10に付与し、導電率測定のためのインターデジタル(交差指形)電極(IDE)構造体21を当該絶縁層の上に配置する。インターデジタル電極構造体21には、活性機能層22が設けられる。これは、例えばカスタマーによって付与される。   The carrier can be used to construct various sensors. For example, it is convenient to use the carrier for a temperature sensor having a platinum thin film structure. The use of a flow measuring sensor is possible as well, in which case the heating element and the temperature measuring element can be combined according to the principle of fluid measurement. An example of a further application of the present invention is shown in FIG. 8 in connection with a sensor module. This sensor module constitutes a multi-sensor platform and has a carrier substrate 23. The carrier substrate 23 can be modified according to one of the exemplary embodiments described above. For example, a strip-like depth profile (not shown) can be formed in the carrier substrate. The intermediate layer 12 is disposed on the carrier substrate 23 and functions as a buffer for the platinum thin film structure 10 disposed on the intermediate layer 12. The platinum thin film structure 10 can be a heater and / or sensor each having a contact connection. An insulating layer 20 is applied to the platinum structure 10 and an interdigital (interdigitated) electrode (IDE) structure 21 for conductivity measurement is disposed on the insulating layer. The interdigital electrode structure 21 is provided with an active functional layer 22. This is given by the customer, for example.

10 薄膜構造体
11 表面
12 中間層
13 導体路
14a 第1の被覆層
14b 第2の被覆層
15 摺動部
16 密着部
17 凹部
18 側面
19 底面
20 絶縁層
21 電極構造体
22 機能層
23 担体基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Thin film structure 11 Surface 12 Intermediate | middle layer 13 Conductor path 14a 1st coating layer 14b 2nd coating layer 15 Sliding part 16 Contact | adherence part 17 Recess 18 Side 19 Bottom surface 20 Insulating layer 21 Electrode structure 22 Functional layer 23 Carrier substrate

Claims (18)

プラチナまたはプラチナ合金からなる薄膜構造体(10)が上に配置されたセラミック担体、特にAl担体であって、
当該担体および/または当該薄膜構造体(10)は、異なる熱膨張係数に起因する機械的応力を低減するようになっており、
a)当該薄膜構造体(10)の領域における当該担体の表面(11)が、密着を低減するために少なくとも部分的に平滑化され、
かつ/または
b)当該担体の表面(11)が中間層(12)を有し、その上に当該薄膜構造体(10)が配置され、当該中間層(12)の熱膨張係数が8×10−6/K〜16×10−6/K、特に8.5×10−6/K〜14×10−6/Kであり、
かつ/または
c)当該薄膜構造体(10)は、少なくとも一つの導体路(13)を有し、当該導体路(13)は、少なくとも部分的に波形でありかつ当該担体の表面(11)に沿って延在しており、波形の当該導体路(13)の振幅は、0.2×B〜2×B、特に0.4×B〜1×Bであり、かつ波形の当該導体路(13)の波長は、3×B〜10×B、特に4×B〜7×Bであり、ただし、「B」は、当該導体路(13)の幅であり、
かつ/または
d)酸化物ナノ粒子、特にAlおよび/もしくはMgOの酸化物ナノ粒子を含む第1の被覆層(14a)が、当該薄膜構造体(10)に直接付与されていることを特徴とする、担体。
A ceramic support, in particular an Al 2 O 3 support, on which a thin film structure (10) made of platinum or a platinum alloy is disposed,
The carrier and / or the thin film structure (10) is adapted to reduce mechanical stress due to different coefficients of thermal expansion;
a) the surface (11) of the carrier in the region of the thin film structure (10) is at least partially smoothed to reduce adhesion;
And / or b) the surface (11) of the carrier has an intermediate layer (12) on which the thin film structure (10) is disposed, and the thermal expansion coefficient of the intermediate layer (12) is 8 × 10 -6 / K~16 × 10 -6 / K , in particular 8.5 × 10 -6 / K~14 × 10 -6 / K,
And / or c) the thin film structure (10) has at least one conductor track (13), the conductor track (13) being at least partially corrugated and on the surface (11) of the carrier The amplitude of the corrugated conductor track (13) is 0.2 × B to 2 × B, in particular 0.4 × B to 1 × B, and the corrugated conductor track ( The wavelength of 13) is 3 × B to 10 × B, particularly 4 × B to 7 × B, where “B” is the width of the conductor path (13),
And / or d) a first coating layer (14a) comprising oxide nanoparticles, in particular Al 2 O 3 and / or MgO oxide nanoparticles, is applied directly to the thin film structure (10). A carrier characterized by.
当該薄膜構造体(10)の領域における当該表面(11)は、少なくとも一つの摺動部(15)および少なくとも一つの密着部(16)を形成していることを特徴とする、請求項1に記載の担体。   The surface (11) in the region of the thin-film structure (10) forms at least one sliding part (15) and at least one tight contact part (16), according to claim 1, The carrier described. 当該薄膜構造体(10)の全領域における当該表面(11)は、平滑化されていることを特徴とする、請求項1に記載の担体。   The carrier according to claim 1, characterized in that the surface (11) in the entire region of the thin-film structure (10) is smoothed. 当該薄膜構造体(10)の領域における当該表面(11)は、少なくとも一つの凹部を形成する深さ方向のプロファイル、特に、少なくとも一つの凹部を形成する帯状の深さ方向のプロファイルを有しており、当該凹部(17)の当該表面(11)は平滑化されていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の担体。   The surface (11) in the region of the thin film structure (10) has a profile in the depth direction that forms at least one recess, in particular, a belt-like depth profile that forms at least one recess. The carrier according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the surface (11) of the recess (17) is smoothed. 当該薄膜構造体(10)の少なくとも一つの導体路(13)が、帯状の深さ方向のプロファイルに対して、特に30°〜90°の範囲の角度で配置されていることを特徴とする、請求項4に記載の担体。   The at least one conductor path (13) of the thin film structure (10) is arranged at an angle in a range of 30 ° to 90 ° with respect to the profile in the depth direction of the belt, The carrier according to claim 4. 当該凹部(17)が、二つの傾斜した側面(18)と、当該側面(18)間の底面(19)とを有する台形断面を有し、少なくとも一つの側面(18)、特に両側面(18)が、当該底面(19)に対して10°〜80°、特に45°〜60°の角度で立ち上がっていることを特徴とする、請求項4および5のいずれか一項に記載の担体。   The recess (17) has a trapezoidal cross section with two inclined side faces (18) and a bottom face (19) between the side faces (18), and at least one side face (18), in particular both side faces (18). The carrier according to any one of claims 4 and 5, characterized in that it stands up at an angle of 10 ° to 80 °, in particular 45 ° to 60 °, with respect to the bottom surface (19). 当該凹部(17)は、0.4μm〜1.2μm、特に0.6μm〜1.0μmの深さを有し、かつ/または5μm〜20μm、特に10μm〜15μmの幅を有することを特徴とする、請求項4〜6のいずれか一項に記載の担体。   The recess (17) is 0.4 μm to 1.2 μm, in particular 0.6 μm to 1.0 μm deep and / or 5 μm to 20 μm, in particular 10 μm to 15 μm wide. The carrier according to any one of claims 4 to 6. 当該帯状の深さ方向のプロファイルは、複数の平行な凹部(17)を有し、当該凹部(17)の間隔は、いずれも5μm〜20μm、特に10μm〜15μmであることを特徴とする、請求項4〜7のいずれか一項に記載の担体。   The strip-shaped profile in the depth direction has a plurality of parallel recesses (17), and the interval between the recesses (17) is 5 μm to 20 μm, particularly 10 μm to 15 μm. Item 8. The carrier according to any one of Items 4 to 7. 当該中間層(12)の熱膨張係数が、当該薄膜構造体(10)の熱膨張係数より最大で1.5倍大きいことを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一項に記載の担体。   9. The thermal expansion coefficient of the intermediate layer (12) is at most 1.5 times greater than the thermal expansion coefficient of the thin film structure (10), according to claim 1. Carrier. 当該中間層(12)の厚さが0.2μm〜3μm、特に1μm〜2.2μmであることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか一項に記載の担体。   10. The carrier according to claim 1, wherein the intermediate layer has a thickness of 0.2 μm to 3 μm, in particular 1 μm to 2.2 μm. 当該中間層(12)は、少なくとも一つの電気絶縁性金属酸化物を含む、請求項1〜10のいずれか一項に記載の担体。   The carrier according to any one of claims 1 to 10, wherein the intermediate layer (12) comprises at least one electrically insulating metal oxide. 当該中間層(12)は、MgOおよび/またはBaOを含み、特にMgOおよび/またはBaOからなり、または少なくとも一つの電気絶縁性金属酸化物とAlとの混合物を含むかまたは当該混合物からなることを特徴とする、請求項1〜11のいずれか一項に記載の担体。 The intermediate layer (12) contains MgO and / or BaO, in particular consists of MgO and / or BaO, or contains a mixture of at least one electrically insulating metal oxide and Al 2 O 3 or from the mixture The carrier according to any one of claims 1 to 11, characterized in that 当該波形の導体路(13)は、当該表面(11)に沿って延在する複数の弧を有しており、波形の下部構造が、当該弧の間の導体路の部分に少なくとも形成されているか、または、当該波形の導体路(13)は、櫛状に配列された、電極の複数の指状部を形成していることを特徴とする、請求項1〜12のいずれか一項に記載の担体。   The corrugated conductor track (13) has a plurality of arcs extending along the surface (11), and the corrugated lower structure is formed at least in a portion of the conductor track between the arcs. Or the corrugated conductor path (13) forms a plurality of finger-like parts of an electrode arranged in a comb shape. The carrier described. 当該波形の導体路(13)は、正弦波および/または鋸歯形状の波および/または台形波の形状となっていることを特徴とする、請求項1〜13のいずれか一項に記載の担体。   14. A carrier according to any one of the preceding claims, characterized in that the corrugated conductor track (13) is in the form of a sine wave and / or a sawtooth wave and / or a trapezoidal wave. . 当該第1の被覆層(14a)が、特にガラスからなる第2の被覆層(14b)により密封封止されていることを特徴とする、請求項1〜14のいずれか一項に記載の担体。   15. The carrier according to claim 1, wherein the first coating layer (14a) is hermetically sealed with a second coating layer (14b) made of glass in particular. . 請求項1〜15のいずれか一項に記載の担体を備えるセンサ素子、加熱素子またはセンサモジュール。   A sensor element, a heating element or a sensor module comprising the carrier according to any one of claims 1 to 15. 当該担体上に種々のセンサ構造物が配置されており、プラチナまたはプラチナ合金からなる当該薄膜構造体(10)が、少なくとも一つのセンサ構造物を形成しており、かつ電極構造物が少なくとも一つの他のセンサ構造物を形成していることを特徴とする、請求項16に記載のセンサモジュール。   Various sensor structures are arranged on the carrier, the thin film structure (10) made of platinum or a platinum alloy forms at least one sensor structure, and at least one electrode structure. The sensor module according to claim 16, wherein another sensor structure is formed. 請求項1に記載のセラミック担体を製造する方法であって、
少なくとも薄膜構造体(10)の領域において、担体の表面(11)を、平滑化のため、エッチング、特にイオンエッチングにより除去し、かつ/または
中間層(12)を、薄膜法、特にPVD法またはCVD法によって当該担体の表面(11)に付与し、かつ/または
波形の導体路(13)を、薄膜法、特にPVD法もしくはCVD法またはリソグラフィー法によって当該担体の表面(11)に付与する、方法。
A method for producing a ceramic carrier according to claim 1, comprising:
At least in the region of the thin film structure (10), the surface (11) of the carrier is removed for smoothing by etching, in particular ion etching, and / or the intermediate layer (12) is thin film, in particular PVD or Applying to the surface (11) of the carrier by a CVD method and / or applying a corrugated conductor track (13) to the surface (11) of the carrier by a thin film method, in particular a PVD method or a CVD method or a lithography method, Method.
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